CN102864323B - 一种结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法：①原料为镍包铝粉；镍包铝粉是实心或空心的颗粒状结构，其中：铝核的化学成分为纯铝或铝合金，镍壳化学成分为纯镍或镍基合金；②制备工艺依次满足下述内容要求：首先进行料胚制备，将镍包铝粉放入模具内，施加压力0.1-200MPa，时间1秒-100小时，温度10-600°C，最终形成镍包铝粉料胚；然后将镍包铝粉料胚放入高温炉内进行高温扩散处理；温度要求是600-1200°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-100小时。本发明所述制备方法具有孔隙大小均匀可控、开孔闭孔可控等优点，并适于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属多孔材料制备技术，特别提供了一种结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法。
背景技术
金属多孔材料或称泡沫金属是具有一定孔隙结构的新型金属材料，按结构可分为闭孔和开孔两类。闭孔泡沫金属可隔热、吸收冲击能和环境噪声等[参见文献：杨雪娟，刘颖，李梦，涂铭旌.多孔金属材料的制备及应用，材料导报，21(2007)380-383]，开孔泡沫金属可用于电极、过滤除尘、散热及催化剂载体等[参见文献：D.T.Queheillalt,Y.Katsumura,H.N.G.Wadley.Synthesis of stochastic open cell Ni-based foams,Scripta Materialia,50(2004)313-317]。泡沫金属集结构与功能一身，应用领域广泛[参见文献：L.-P.Lefebvre,J.Banhart,D.C.Dunand.Porous metals and metallic foams:current status and recent developments,Advanced Engineering Materials,10(2008)775-787]。特别是可在高温腐蚀环境下服役的泡沫金属间化合物，吸引了众多重要工业领域的关注。比如在洁净煤技术领域的整体煤气化联合循环发电技术中，需要大量开孔泡沫金属材料，用于1000℃煤气化气体和烟气净化除尘，以保护燃气轮机叶片免遭严重的冲蚀破坏和降低烟尘排放[参见文献：张健，汤慧萍，奚正平，汪强兵.高温气体净化用金属多孔材料的发展现状，稀有金属材料与工程，35(2006)438-441；汪强兵，汤慧萍，奚正平，张健，李增峰.煤气化技术用金属多孔材料研究进展，稀有金属材料与工程，35(2006)448-451]。闭孔泡沫Ni-Al金属间化合物兼具质轻、隔热和抗高温腐蚀的特点，有可能用作航空发动机涡轮叶片的高温防护涂层。在玻璃-NiCoCrAlY热障涂层[参见文献：D.E.Mack,S.-M.Gross,R.Vaβen,D.
Metal-Glass based composites for application in TBC-Systems,Journal of Thermal Spray Technology，15(2006)652-656]中，若以闭孔泡沫Ni-Al金属间化合物代替NiCoCrAlY颗粒，其隔热性能有望进一步提高。又如，为了提高燃气轮机效率，需要在叶片尖端涂覆具有多孔结构的抗高温的可磨耗封严涂层。抗高温腐蚀的多孔镍铝金属间化合物因其优异的综合性能而显示出广阔的应用前景。
Ni-Al金属间化合物使用温度高、比强度高，抗高温氧化性能优异，是一种可用于高温腐蚀环境中的理想候选材料[参见文献：李婷婷，彭超群，王日出，王小锋，刘兵，王志勇.Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金属间化合物多孔材料的研究进展，中国有色金属学报，21(2011)784-795]。国内外对多孔Ni-Al金属间化合物的制备方法研究较晚，近年来报道的主要有高温扩散法和反应烧结法。高温扩散法是借鉴传统渗铝工艺对开孔泡沫镍作渗铝处理，Hodge等[参见文献：A.M.Hodge,D.C.Dunand,Synthesis ofnickel-aluminide foams by pack-aluminization of nickel foams,Intermetallics,9(2001)581-589]和Omar等[参见文献：H.Omar,D.P.Papadopoulos,S.A.Tsipas,H.Lefakis,Aluminizing nickel foam by a slurry coating process,Materials Letters,63(2009)1387-1389]人分别采用粉末包埋和料浆法获得了NiAl+Ni3Al两相的多孔材料。该方法获得的多孔Ni-Al金属间化合物能够保持原始泡沫镍的孔隙尺寸和结构，但渗后渗剂粉末的去除工艺稍显复杂，不利于制备大尺寸块体，此外该方法仅适用于开孔泡沫Ni-Al金属间化合物的制备。反应烧结法是将Ni、Al金属粉末混合压制后高温烧结，利用Kirkendall效应形成孔隙[参见文献：Y.He,Y.Jiang,N.Xu,J.Zou,B.Huang,C.T.Liu,P.K.Liaw，Fabrication of Ti-Al micro/nanometer-sized porous alloys,Advanced Materials,19(2007)2102-2106]。Kanetake等人[参见文献：N.Kanetake,M.Kobashi,Innovative processing of porous and cellular materialsby chemical reaction,Scripta Materialia 54(2006)521-525]在使用少量发泡剂（Ti+B4C）的情况下用该方法分别制备出了闭孔Ni3Al、NiAl和NiAl3多孔材料，发现Ni3Al仅含有个别孔隙，后两者形成了高孔隙率的泡沫材料。其中NiAl3孔隙率更高可达80%，但边缘和芯部的孔隙尺寸差高达数倍，力学性能受到严重影响。吴靓等人[参见文献：吴靓，贺跃辉，董虹星.Ni-Al金属间化合物多孔材料的制备，粉末冶金材料科学与工程，14(2009)52-56]在未使用发泡剂的情况下成功制备出了不同孔隙率的多孔Ni-Al金属间化合物，孔隙包含开孔和闭孔，孔隙率和孔隙尺寸分别随Al颗粒含量和尺寸增加而增加，但Al颗粒含量增加引起颗粒偏聚进而导致孔隙偏聚的趋势也有所加剧。可见当前对多孔Ni-Al金属间化合物孔隙的可控性不足：扩散法可通过调控初始泡沫镍的孔隙尺寸和结构来控制泡沫Ni-Al金属间化合物的孔隙，但仅限于开孔泡沫材料，对闭孔泡沫材料无效；反应法在一定程度上可控制孔隙率，但Ni、Al颗粒的偏聚使得孔隙的尺寸和分布难以精确控制。
人们期望获得一种技术效果更好的结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术效果更好的结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法。
一种结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法，其特征在于：所述结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法满足下述要求：
所述Ni-Al合金多孔材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种；
①原料为镍包铝粉；镍包铝粉是实心或空心的颗粒状结构，其中：铝核的化学成分为纯铝或铝合金，镍壳化学成分为纯镍或镍基合金；
②制备工艺依次满足下述内容要求：首先进行料胚制备，将镍包铝粉放入模具内，施加压力0.1-200MPa，时间1秒-100小时，温度10-600°C，最终形成镍包铝粉料胚；
然后将镍包铝粉料胚放入高温炉内进行高温扩散处理；温度要求是600-1200°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-100小时。
所述结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法，还包含下述内容要求：
所述结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法中还使用粘结剂作为原料之一，粘结剂为固态或液态；
制备工艺依次满足下述内容要求：首先将镍包铝粉和粘结剂混合，其中粘结剂在混合物中的体积百分比为1%-98%；要求首先采用机械搅拌方法将二者混合均匀，然后制备镍包铝粉料胚；料胚制备：将镍包铝粉和粘结剂混合，其中粘结剂在混合物中的体积百分比为1％-98％；要求首先采用机械搅拌方法将二者混合均匀，然后将混合好的复合粉体放入模具内，施加压力0.1-200MPa，时间1秒-100小时，温度10-600°C，最终形成镍包铝粉料胚；
然后将镍包铝粉料胚放入高温炉内进行高温扩散处理；高温扩散处理在真空或保护性气氛下进行,高温扩散处理的温度要求是700-1100°C、时间5分钟-20小时。
镍包铝粉粒径优选为10nm-5mm；
粘结剂是下述几种之一或其组合：金属粉、玻璃粉、硅酸钾水玻璃。粘结剂可为固态或液态粘结剂，包括但不限于金属粉、玻璃粉、硅酸钾水玻璃等。
镍包铝粉的铝核进一步优选满足下述要求之一：其一，铝核为实心颗粒结构，其半径为2nm-2mm；其二，铝核为空心颗粒结构，其壳体壁厚为2nm-2mm。
在高温扩散处理阶段，料胚内的镍包铝粉发生核/壳反应形成Ni-Al合金颗粒并在其内部形成孔隙，同时玻璃粉软化将所形成的空心Ni-Al合金颗粒紧密包裹。由此得到玻璃粘结的Ni-Al合金多孔材料，其孔隙形成于镍包铝粉内部；孔隙大小主要取决于镍包铝粉的粒径。Ni-Al合金多孔材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍包铝粉的镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比，以及高温扩散处理的温度和时间。
本发明采用由核/壳颗粒制备多孔材料的方法，由镍包铝粉制备孔隙均匀、大小可控的Ni-Al合金多孔材料。镍包铝颗粒间可加或不加粘结剂制成料胚，在空气、真空或适当气氛中适当温度下烧制，镍壳与铝核发生互扩散而形成多孔材料。本发明制备的Ni-Al合金多孔材料的形成方式与扩散法和反应法均不同：首先它不需要扩散法以开孔多孔材料做模板，而是直接通过高温烧结核/壳颗粒获得；其次它只需一种颗粒，而且孔隙形成于颗粒内部不同于反应法中的孔隙形成于两种颗粒之间，避免了孔隙的偏聚。本发明制备Ni-Al合金多孔材料的方法，可通过改变镍包铝核壳尺寸和调整烧制温度及时间，调控孔隙的尺寸、结构，以及多孔材料的相组成。
本发明所述结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法避免了传统高温扩散法中颗粒粘结和反应烧结法中颗粒偏聚的问题；本发明提出的Ni-Al合金多孔材料制备方法具有孔隙大小均匀可控、开孔闭孔可控等优点，并适于规模化生产。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为由玻璃粘结镍包铝颗粒形成结构可控的Ni-Al合金多孔材料的制备原理示意图；
图2为由液态粘结剂水玻璃粘结的镍包铝颗粒形成Ni-Al合金多孔材料的制备原理示意图；
图3为由镍包铝颗粒形成闭孔Ni-Al合金多孔材料的制备原理示意图；
图4为由镍包铝颗粒形成开孔Ni-Al合金多孔材料的制备原理示意图；
图5为由镍包空心铝颗粒形成闭孔Ni-Al合金多孔材料的制备原理示意图；
图6为由镍包空心铝颗粒形成开孔Ni-Al合金多孔材料的制备原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
采用附图1所示的制备工艺可得到玻璃粘结的Ni-Al合金多孔材料。首先将粒径10nm-1mm、镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比0.05-1的镍包铝粉与固态粘结剂玻璃粉混合，其中粘结剂体积分数1%-98%，采用机械搅拌方法混合均匀。将混合好的复合粉体放入模具内，施加压力0.1-200MPa，时间1秒-1小时，温度20-600°C，形成镍包铝粉料胚，完成料胚制备工序。然后全部或部分卸载，直接加热或将料胚取出放入高温炉内进行高温扩散，温度700-1100°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-50小时。在高温扩散处理阶段料胚内的镍包铝粉发生核/壳反应形成Ni-Al合金颗粒并在其内部形成孔隙，同时玻璃粉软化将所形成的空心Ni-Al合金颗粒紧密包裹。由此得到玻璃粘结的Ni-Al合金多孔材料，其孔隙形成于镍包铝粉内部。孔隙大小主要取决于镍包铝粉的粒径。Ni-Al合金多孔材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍包铝粉的镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比，以及高温扩散处理的温度和时间。
实施例2
采用附图2所示的制备工艺可得到液态粘结剂水玻璃粘结的Ni-Al合金多孔材料。首先将粒径10nm-1mm、镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比0.05-1的镍包铝粉与水玻璃（并加入固化剂）混合，其中水玻璃体积分数5%-50%，采用机械搅拌或超声波混合1-60分钟。将混合好的复合粉体放入模具内于烘箱内30-80°C烘干1-10小时、100-180°C烘干1-10小时、200-400°C烘干1-10小时，水玻璃固化完全后形成水玻璃粘结的镍包铝粉料胚，完成料胚制备。将料胚取出放入高温炉内进行高温扩散处理，温度600-1200°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-10小时。在高温扩散处理阶段料胚内的镍包铝粉发生核/壳反应形成Ni-Al合金颗粒并在其内部形成孔隙，固化的水玻璃将所形成的空心Ni-Al合金颗粒紧密包裹。由此得到水玻璃粘结的Ni-Al合金多孔材料，其孔隙形成于镍包铝粉内部。孔隙大小主要取决于镍包铝粉的粒径。Ni-Al合金多孔材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍包铝粉的镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比，以及高温扩散处理的温度和时间。
实施例3
采用附图3所示的制备工艺可得到闭孔Ni-Al合金多孔材料。首先将粒径10nm-1mm、镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比0.2-1的厚镍壳镍包铝粉放入模具内，施加压力0.1-200MPa，时间1秒-1小时，温度20-600°C，形成镍包铝粉料胚，完成料胚制备。然后全部或部分卸载，直接加热或将料胚取出放入高温炉内，于真空或保护性气氛下进行高温扩散处理，温度600-1200°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-50小时。在高温扩散处理阶段料胚内的镍包铝粉内部发生核/壳反应形成Ni-Al合金颗粒并在其内部形成孔隙，同时颗粒间互扩散连接成Ni-Al合金多孔材料，其孔隙形成于镍包铝粉内部。孔隙大小主要取决于镍包铝粉的粒径。Ni-Al合金多孔材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍包铝粉的镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比，以及高温扩散处理的温度和时间。
实施例4
采用附图4所示的制备工艺可得到开孔Ni-Al合金多孔材料。首先将粒径10nm-1mm、镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比0.01-0.2的薄镍壳镍包铝粉放入模具内，施加压力0.1-200MPa，时间1秒-1小时，温度20-600°C，形成镍包铝粉料胚，完成料胚制备。然后全部或部分卸载，直接加热或将料胚取出放入高温炉内，于真空或保护性气氛下进行高温扩散处理，温度600-1200°C、压力0.1-200MPa，时间1分钟-50小时。在高温扩散处理阶段料胚内的镍包铝粉内部发生核/壳反应形成Ni-Al合金空心颗粒并在其内部形成孔隙，同时颗粒间互扩散连接成Ni-Al合金多孔材料，表面张力的作用使薄壁Ni-Al合金空心颗粒的接触面收缩，使得孔隙互连形成开孔结构。孔隙大小主要取决于镍包铝粉的粒径。Ni-Al合金多孔材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种，取决于镍包铝粉的镍壳厚度/铝核直径（或空心铝核的铝壳厚度）比，以及高温扩散处理的温度和时间。
实施例5
本实施例采用附图5所示的制备工艺可得到孔隙尺寸在毫米级的闭孔Ni-Al合金多孔材料。采用粒径1-5mm、镍壳厚度/铝壳厚度（空心铝核）比0.2-1的厚镍壳镍包空心铝粉，使用与实施例3同样的工艺流程和参数，可得到孔隙尺寸达毫米级的闭孔Ni-Al合金多孔材料。
实施例6
本实施例采用附图6所示的制备工艺可得到孔隙尺寸在毫米级的开孔Ni-Al合金多孔材料。采用粒径1-5mm、镍壳厚度/铝壳厚度（空心铝核）比0.01-0.2的薄镍壳的镍包空心铝粉，使用与实施例4同样的工艺流程和参数，可得到孔隙尺寸达毫米级的开孔Ni-Al合金多孔材料。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法，其特征在于：所述结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法满足下述要求：
所述Ni-Al合金多孔材料的合金相包括γ-Ni、γ’-Ni3Al、β-NiAl和δ-Ni2Al3的其中一种或多种；
①原料为镍包铝粉；镍包铝粉是实心或空心的颗粒状结构，其中：铝核的化学成分为纯铝或铝合金，镍壳化学成分为纯镍或镍基合金；所述结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法中使用粘结剂作为原料之一，粘结剂为固态或液态；
②制备工艺依次满足下述内容要求：将镍包铝粉和粘结剂混合，其中粘结剂在混合物中的体积百分比为1%-98%；要求首先采用机械搅拌方法将二者混合均匀，然后制备镍包铝粉料胚；料胚制备：将混合好的复合粉体放入模具内，施加压力0.1-200MPa，时间1秒-100小时，温度10-600oC，最终形成镍包铝粉料胚；
然后将镍包铝粉料胚放入高温炉内进行高温扩散处理；高温扩散处理在真空或保护性气氛下进行, 高温扩散处理的温度要求是700-1100oC、时间5分钟-20小时；
镍包铝粉粒径为10nm-5mm；
粘结剂是下述几种之一或其组合：金属粉、玻璃粉、硅酸钾水玻璃。
2.按照权利要求1所述结构可控的Ni-Al合金多孔材料制备方法，其特征在于：镍包铝粉的铝核满足下述要求之一：其一，铝核为实心颗粒结构，其半径为2nm-2mm；其二，铝核为空心颗粒结构，其壳体壁厚为2nm-2mm。
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